TEORÍA CINÉTICA DE LOS GASES

Cuando Boyle descubrió en 1661 su sencilla ley experimental sobre el comportamiento de los gases, trató de idear un modelo que interpretara coherentemente la naturaleza del gas. Ése fue el comienzo de la teoría cinética, desarrollada por Daniel Bernoulli, James Joule, Rudolph Clausius, Ludwig Boltzmann y Albert Einstein, entre otros científicos. Esta teoría se propone dar una explicación microscópica de las leyes macroscópicas experimentales.

Las hipótesis de las que parte son simples:

1) Un gas consiste en un conglomerado de partículas (átomos o moléculas) que responden a las leyes de la Mecánica newtoniana.

2) La enorme cantidad de partículas se mueven caóticamente y están tan separadas entre sí que su propio volumen es despreciable frente al que ocupa todo el gas.

3) No existen fuerzas apreciables sobre las partículas salvo las que operan durante los choques elásticos entre sí y contra las paredes.

Es razonable que, dado que las partículas están tan separadas, las fuerzas intermoleculares sean solamente las de los choques. Como los choques son elásticos, entonces se conserva la cantidad de movimiento y también la energía cinética. Entre choque y choque, las moléculas viajan con movimiento rectilíneo y uniforme, de acuerdo con las leyes de Newton. Las colisiones son de muy corta duración. Es decir que la energía cinética se conserva constante, ya que el breve tiempo en que ésta se transforma en energía potencial (durante el choque) se puede despreciar.

A partir de estos supuestos, la teoría explica el comportamiento conocido de los gases y hace predicciones que luego son constatadas experimentalmente, lo que le confiere validez científica.

Para describir el comportamiento del gas no es imprescindible la historia individual de cada partícula, sino que se recurre a la estadística para interpretar las variables macroscópicas como cierto promedio de propiedades microscópicas.

Por ejemplo, la presión se interpreta microscópicamente como el efecto resultante de millones de partículas chocando azarosamente y ejerciendo pequeñas fuerzas irregulares contra las paredes del recipiente. ¿Por qué la fuerza que un gas encerrado ejerce sobre la pared del recipiente es perpendicular a su superficie? Como todas las posiciones y velocidades son igualmente probables, el bombardeo sobre la pared proviene de todas las direcciones y sentidos. Las fuerzas ejercidas en dirección paralela a la pared en uno y otro sentido tienden en promedio a anularse. Pero las fuerzas ejercidas en dirección perpendicular, por el contrario, se sumarán, ya que ninguna partícula colisiona desde el lado exterior de la pared.

La temperatura se interpreta como una medida de la energía cinética media por molécula. Al calentar un gas, aumentamos la agitación molecular, elevando la velocidad media de las partículas. Si disminuye la temperatura del gas, se puede licuar. Es coherente que la energía cinética media de una partícula líquida sea menor que la correspondiente a una partícula gaseosa.

En 1827, el botánico inglés Robert Brown (1773-1858) constató, por primera vez, que partículas pequeñas de materia inerte, suspendidas en un líquido y observadas con un microscopio presentan una agitación azarosa y permanente dependiente de la temperatura. La explicación de este fenómeno se logró ochenta años después.

El descubrimiento del movimiento browniano permitió un desarrollo posterior más profundo de la teoría cinética. El movimiento de los gránulos observados a través del microscopio se interpretó como la ampliación del movimiento de las pequeñísimas moléculas invisibles a la lente. Basándose en un estudio cuantitativo del movimiento browniano, la teoría cinética permite calcular, entre otros múltiples resultados, el número de moléculas contenidas en un volumen dado, a cierta temperatura y presión, para todos y cualquier gas.